脊髄損傷後下肢電気刺激の訓練のパラダイム

米国で約 282,000 人が脊髄損傷 (SCI)¹と現在生きていることが推定されます。平均では、ほぼ毎年、主にバイクの衝突事故、暴力、およびスポーツの活動¹の行為によって引き起こされる 17,000 の新しいケースがあります。SCI は sub-lesional の感覚および/または運動の損失につながる神経伝達やけが²のレベルの下の一部または全部の中断で起因します。損傷後骨格筋傷害のレベルの下の活動が大幅に減少、無駄のない質量と異所性脂肪組織、または筋肉内脂肪 (IMF) の併用の浸潤の急激な減少に 。研究では、下の下肢骨格筋経験^3,4最初の年の終わりを通して継続している傷害の最初の数週間以内に大幅に萎縮しているを示しています。すぐに受傷後 6 週完全な sci 経験豊富な個人 sub-lesional 筋肉のサイズ 18-46% 減少と比較して、年齢と体重をマッチさせた健常者ボディ コントロール。24 週間後の傷害によって骨格筋断面積 (CSA) は 30 ~ 50³と低いかもしれない。Gorgey とダッドリーは、骨格筋が萎縮 43% 元のサイズの 4.5 ヶ月受傷後、指摘障害トイザらス ボディと比較して不完全な科学者における IMF のより多くの量を制御⁴3 回続けることを示した。代謝活性の高い除脂肪体重の損失の結果基礎代謝率 (BMR)^2,6、毎日の合計のエネルギー支出の ∼65-70% を占める削減BMR のような削減は有害なエネルギーの不均衡につながることができます傷害^{2,7,8,9,10,18}後肥満の増加と。高められた肥満されている高血圧症を含む二次疾患の開発にリンクされているタイプ II 糖尿病 (2 型糖尿病) と心血管疾患^{2,10、11,12,13,14,15,16,17,18}. 科学者が栄養失調と高脂肪食への依存をさらに、苦しむことがあります。脂肪摂取は、肥満と肥満 SCI 人口^12,13内のエスカレートの有病率の増加を説明する要因と思われる科学者の脂肪の 29 から 34% の占める可能性があります。

神経筋電気刺激誘発抵抗 (NMES RT) を訓練は麻痺筋^{19,20,21,22,23、肥大を誘導するために設計されました。 24}。週 2 回 NMES RT、骨格筋全体太もも、膝伸筋と膝屈筋群増の 28%、35%、16%、それぞれ²²の CSA の次の 12 週間。ダドリーら。6 週間後負傷¹⁹8 週間週 2 回 NMES RT 復元膝伸筋筋肉のサイズは元のサイズの 75% の示した。さらに、Mahoneyら。同じプロトコルを利用し、右の 35% および 39% の増加を指摘した NMES RT²⁰の 12 週間後に直筋を左します。

機能的電気刺激の下位四肢サイクリング (FES LEC) は SCI^25,26後下の下肢筋群の運動に使用される一般的なリハビリテーション手法です。NMES-RT とは異なり FES LEC が増加肥大があります 6 の筋群の刺激に依存しているし、cardiometabolic の改善プロファイル^{10,25,26,27, 28}. Dolbowら。その合計の体の赤身の次の SCI²⁷と個々 の FES LEC の 56 ヶ月 18.5% 増の質量を発見します。次の週 3 回フェス-LEC、麻痺の 60 歳の女性の 12 ヶ月経験豊富な全身の 7.7% 増加無駄のない質量、脚の 4.1% の増加に傾く質量²⁸。機能的電気刺激 (FES) のルーチン使用は SCI^10,25,26後 cardiometabolic の条件の危険因子の改善に関連付けられます。

電気刺激トレーニングの理想的な候補者はどちらかのモーター完了または未完了の傷害をそのまま末梢運動ニューロンと限られた低い下肢感覚だろう現在原稿 NMES RT と FES LEC 慢性的な科学者で電気刺激トレーニングの成果を改善するように設計を使用して結合されたアプローチを説明します。NMES RT のプロセスの足首の重みを使用してを説明した、プロトコルと全面的な利点内にある重要なステップを強調しながら介入は慢性的な科学者に提供します。第二の目的はフェス LEC 介入の全体的な cardiometabolic 効果を最大化するように設計のプロセスを記述します。前の仕事は我々 合理的な複合トレーニングのプロトコルが次の電気刺激トレーニング^{20,21,22,23,24 の 24 週間大きい成果を呼び起こす可能性がありますを確認しました。 ,25,26,31,32,33,34,35,36}。

本稿で説明しているトレーニングのプロトコルは、clinicaltrials.gov 識別子 (NCT01652040) に登録されています。研修には、足首の重みと FES LEC NMES RT が含まれます。すべての必要な機器は、表 2に表示されます。研究プロトコルとインフォームド・コンセントが審査し、リッチモンド VAMC 制度審査委員会 (IRB) とヴァージニア連邦大学 (VCU) IRB 承認します。すべての研究手順が説明された裁判を開始する前に各参加者の詳細。

1. 参加者募集

1. 潜在的な参加者とプレ ・ スクリーニング評価を実行します。
   1. 勉強 (24 週)、週 (隔週) 毎回、セッションの長さの長さを含むトレーニングのプロトコルの詳細については徹底的に (NMES RT: 30 分、フェズ LEC: 45-60 分)。
      注: NMES RT が行われる最初の 12 週間は、FES LEC の 12 週続きます。
   2. 潜在的な参加者などに医療の条件を述べる: 男性か女性 sci、アメリカ脊髄損傷分類 (AIS) A、B または C (AIS"C"分類立ち上がって、歩くことができない人とのそれら)、18 歳 ~ 65 歳、1 年以上受傷後体ボディマス指数 (BMI) ≤ 30 kg/m²傷害のモーターの完全なまたは不完全な C5 L2 レベル。
   3. 潜在的な参加者を含む医療の制限について説明する: 自由なタイプ II 糖尿病、心血管疾患の診断やインスリン、コントロール不良の高血圧の圧力傷ステージ 3 以上の尿路感染症症状、T スコア-2.5、骨粗しょう症や科学の女性のための妊娠

2. NMES RT

1. 参加者は、彼/彼女の膀胱を空隙を確保し、安静時の血圧と心拍数を測定します。参加者を車椅子に着座、彼/彼女の靴を参加者に指示します。その後、膝関節屈曲時の足のクッションには子牛の後ろに枕を置きます。(0-26 ポンド) の足首の重みを参加者の足首 (図 1) に適用します。
   注: 最初の 2 セッション参加者は重力に対して彼/彼女の足を持ち上げることができるように足首の重みなし行われます。
2. 膝伸筋群を皮膚に両側 2 7.5 cm × 12.7 cm 接着の炭素電極を適用します。
   1. 遠位電極 ~1/3 膝蓋骨と鼠径倍と、大腿四頭筋の正中線の内側間の距離を置きます。股関節から膝継手 (図 2) に走る正中線軸長手方向と平行電極を配置します。
   2. 近位部の電極を横方向に配置と外側広筋畳むの鼠径部に隣接します。正中線軸 (図 2) に、長手方向と平行に、電極を配置します。
3. ポータブル刺激を周波数 30 Hz と 450 μ s の相性矩形波パルス幅に設定し、50 μ s interpulse 間隔^{19,20,21,22,23,24 ,37,38,39}。各電極に刺激からのケーブルを接続します。
   注: 電極の極性の電極が正しい位置に限り刺激パターンが影響しません。
4. 膝伸筋群の顕著な表示の緊張が認識されるまでは、現在を右脚に始まり、徐々 に増加します。引き続きにおける膝伸展 (最大 200 mA) を換起する電流をゆっくりと成長します。活性化された運動単位の最大緊張を呼び起こすための 3-5 秒のための拡張のままに脚を許可します。
5. それの下の 50% 現在のターゲット、脚を拡張し、偏心脚を移動する必要が開始位置に戻るまで、電流を徐々 に減少します。完全伸展を呼び起こすに必要な現在の振幅を記録します。
6. 脚と右と左の足間の交互あたり 10 繰り返しの 4 セットを含む一方的な訓練を完了します。各繰り返しの間、セット間 3 分 3 5 s 残りの部分に脚を許可します。参加者がにおける膝伸展が到達しない場合 % 可動域を記録し、繰り返しの間の時間を増加します。
   注: 筋肉疲労モーション ≤ 25% の範囲で 2 つの連続した繰り返しとして定義されます。
7. 4 つのセットのそれぞれを試みますが、参加者には、筋疲労が発生した場合現在のセットを終了し、反対側の脚にトレーニングを続けます。場合における膝伸展筋疲労なし 2 連続トレーニング セッション、達成トレーニングの次の週の足首の重みの 2 ポンドを追加します。

3. FES LEC

1. 参加者の安静時の血圧と心拍数を測定します。彼/彼女の個人的な力または手動車いす (図 3 a図 3 b) に装着されているフェス エルゴメータ バイク (材料表) の前で参加者を位置します。
2. 両側膝の屈筋と大殿筋群、膝伸筋に接着の炭素電極を適用します。
   1. 膝伸筋の遠位電極 (7.5 x 12.7 cm) を皮膚上に配置 1/3 膝蓋骨と鼠径の畳む, 内側広筋との間の距離。近位部の電極を横方向に配置や鼠径部筋畳むに隣接する筋筋肉 (図 4 a)。
   2. 膝屈筋群の遠位電極 (7.5 x 10 cm) を皮膚上に配置膝窩の上の 2-3 cm。膝窩 (図 4 b) 上記の 20 センチの近位の電極を配置します。遠位端の電極の動きを防ぐためには、するには、電極 (図 3 a) の安全な位置に弾性包帯を適用します。
   3. 大殿、前方の方に傾く、エルゴメータ参加者に指示します。並列と筋腹の大きさの 2 つの電極 (5 × 9 cm) を配置します。許可 〜 電極間の分離の幅 2 本の指します。
3. 彼/彼女の車椅子に装着されており、エルゴの前に中心の参加者とそれぞれ 12 電極の刺激からケーブルを接続します。前面を調べて、参加者を確認するエルゴ メーターの後ろは正しく中央に配置。
4. 参加者の車椅子がロックされていることを確認し、そっとペダル (図 6) 内 (テニス シューズを着用) 参加者の足を配置します。生地のカバーに包まれた弾性ストラップを使用してエルゴ メーターに下肢を固定します。2 つの交差の伸縮ストラップと Velcro 各花弁 (図 5) の上に位置する場所に参加者の足を保護します。
5. 結束後、エルゴ メーターに足を受動的足は従ってサイクリングのパターンを観察し移動します。足があまりにも圧縮またはようご注意、自転車の高さを調整し、脚を受動的に動かして位置を再確認します。
6. エルゴ メーター、エルゴ メーターの底部にある 2 つの拡張可能なフックを使用して参加者の車いすを固定します。フックを車いす (図 5) の下に安定した構造に接続します。サイクリング中に椅子の任意の動きを防ぐために、車いすの車輪の下に 2 つの木製休憩を配置します。
7. 140, 100, 100 に現在の振幅、350 μ s パルス期間 33.3 Hz 刺激周波数を設定 mA 膝関節伸展、膝屈筋および大殿筋のグループ、それぞれ。
8. サイクルのパラメーターを次のように設定: 目標 40 45 回転/分 (RPM) の速度10 で始まる調節可能なトルク Nm;1.0 の抵抗運動のための 1.5 と 2.0 Nm ステージ I、II および III。
9. 間隔訓練を次のように設定: 3 分相の「ウォーム アップ」。3 10 分運動段階(刺激);2 分相を休んで次各運動段階;3 分相の「クールダウン」。
10. Dysreflexia 自律神経の症状の発生を予防する測定血圧および中心率すべての 2 〜 5 分を (上または下 T4)、損傷のレベルに基づいています。
11. 血圧が高いまま場合、エルゴ メーターを停止し、参加者が彼/彼女の膀胱を無効または彼らが既に無効にされた場合に指示します。さらに、参加者は任意の圧力ポイントを減らすと、靴または任意のストラップが過度に締めをチェックして正しく取り付けられていることを確認してください。密接に 2 分毎の血圧を監視します。血圧が回復すると、トレーニングを再開します。血圧が、セッションを終了し、彼/彼女のプライマリケアの医師を参照してくださいに参加者に指示します。
    注: それはあれば、参加者が一貫して彼らの血圧の薬物を取ることを確認し、フェス サイクリング前に自分の膀胱が無効にすることが重要です。
12. 記録参加者の心拍数、スピード、パワー、距離、抵抗および % 刺激あらゆる 30 s。
13. 場合は参加者が疲労することがなく全体の演習を完了すると (アクティブなサイクリング中に速度 < 18 RPM)、サーボ モーターのトルクの支援を減 1 Nm 以下のセッションでは、それ以外の場合同じを保つすべてのパラメーター。
14. 参加者には、疲労またはサーボ モーター援助運動段階の使用なしの 2 つの運動トレーニング セッションが終了すると、0.5 での抵抗を高める各運動段階の Nm。

足首の重みは 22 の参加者、NMES RT (図 6 a) の 16 週間にわたって段階的に増加します。参加者が持ち上げた平均の重みは 19.6 ± 6.5 ポンド (右足) と 20 ± 6 ポンド (左脚) [8-24 lb]。電流振幅は、右と左の足 (図 6 b) の試みを通して変動。

表 1に次の 12 週間の FES LEC トレーニング完全な科学を強調するモーターと個々 の進行。フェズ-LEC、12 週間以上のトレーニングを高められたフライ ホイール抵抗を相殺するため電流の刺激の割合の増加があることが示唆されました。12 週間のトレーニングを通して 3 つの段階のそれぞれで 3-4 回でフライ ホイール抵抗増加(表 1)。抵抗は 1.6 から 5.1 に進歩した Nm (I 期)、2.12 に 5.5 Nm (II 期) と 2.12 に 5.5 Nm (ステージ III)。それは各 10 分ステージが参加者が受動的 0.77 に対して循環 2 分休止期間が点在していたことは注目に値するは Nm。

最後に、出力増加によって 2-4 回週 1 と週 12 (表 1) の 3 つの段階のそれぞれで。電源は、4 から 14 W (I 期)、11.24 に 5.4 W (II 期)、2.6 に 11 W (ステージ III) に進歩しました。

図 1。表面電極、刺激、二国間の足首の重み、枕クッションを示す NMES RT セットアップします。右と左の足の 10 繰り返しの 4 つのセットを完了します。重量徐々 に増加する 2 ポンド毎週各セットは筋疲労なしで完了する場合。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2。膝の伸筋表面電極 NMES ルート中に使用1 つの電極は、~1/3 膝蓋骨と鼠径倍と、大腿四頭筋の正中線の内側間の距離に配置されます。第 2 電極は外側広筋超えて鼠径の折りに隣接して横方向に配置されました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 3。前方 (a) と外側 (b) ビュー フェズ LEC 中バイクのセットアップの。参加者が彼の車椅子に取り付けられ、フェスを実行する自転車に固定されている自転車します。弾性ラップは、遠位膝屈筋電極を保護する各足にラップされます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4。(A) FES LEC と膝屈筋の間に使用される膝の伸筋表面電極表面電極 (b) です。(a) 1 つの電極は、~1/3 膝蓋骨と鼠径倍と、大腿四頭筋の正中線の内側間の距離に配置されます。第 2 電極は外側広筋超えて鼠径の折りに隣接して横方向に配置されました。(b)、脚をサポートしながら 1 つの電極は皮膚に置かれた膝窩; 上記の 2-3 cm第 2 電極は、膝窩の上 20 cm が配置されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 5。各花弁の上にある 2 つの弾性ストラップの交差によって参加者の足はペダルに固定されています。これらのストラップが足の抵抗の増加に対してサイクリング時の移動を防ぐためにしっかりと固定されているが不可欠です。患者さんの車椅子は、バイクの底部にある 2 つの拡張可能なフックを使用して自転車に固定されています。車椅子にアタッチされたら、これらのフックは、クランク、ゆるみを取り除きに強化します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 6。足首の重量 (ポンド) NMES RT の 16 週間とした NMES の 16 週に渡って電流 (mA) の進行中の 22 人の参加者の進行(参加者は筋肉疲労なし 10 繰り返しの 4 セットを完了できる場合 a) 重量毎週 2 ポンドによって増加しました。(b) の訓練中に現在振幅における膝伸展に脚をもたらすに徐々 に増加。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

表 1: 科学と個々 の FES LEC の 12 週間でフライ ホイールの抵抗と電源の出力電流の振幅の割合刺激増加筋肉疲労 (速度 < 18 rpm) の証拠なし 2 セッションが完了した場合、抵抗は毎週を増加しました。割合刺激は、12 週間のトレーニングを通して徐々 に増加。出力は、各段階で漸増負荷運動とトレーニングのコースの上に増加しました。注: データは NMES ルートの 12 週間を終えて FES LEC の 12 週間を完了した 1 つの参加者から

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